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索膜結(jié)構(gòu)：索膜技術(shù)與材料

日期：2020-07-27

承重結(jié)構(gòu)的基本承重構(gòu)件采用受拉的懸索以及張拉的薄膜，稱為懸索結(jié)構(gòu)或膜結(jié)構(gòu)。由于受拉構(gòu)件的承載能力決定于強(qiáng)度而不是穩(wěn)定性，因而能充分發(fā)揮鋼索和膜材受拉工作時強(qiáng)度高、自重輕的特點。同時，由于覆蓋材料自重輕，使承重結(jié)構(gòu)的重量較小，因而懸索結(jié)構(gòu)和張拉薄膜結(jié)構(gòu)更適合于在大跨度結(jié)構(gòu)中使用。

懸索結(jié)構(gòu)的分類：

懸索屋蓋結(jié)構(gòu)通常由懸索系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)和支承系統(tǒng)三部分構(gòu)成

1：單層懸索體系：

1.1：單層單向懸索結(jié)構(gòu)：由許多平行的單根拉索組成，構(gòu)成單曲下凹屋面，拉索兩端懸掛在穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)上

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1.2單層輻射狀懸索結(jié)構(gòu)

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1.3單層網(wǎng)狀懸索結(jié)構(gòu)

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受力特點

單層懸索結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性不好，是一種可變體系，其平衡形狀隨荷載分布方式而變。在恒載作用下呈懸鏈線形式，在不對稱荷載或局部荷載作用下產(chǎn)生大的位移（機(jī)構(gòu)性位移）。索的張緊程度與索的穩(wěn)定性（抵抗機(jī)構(gòu)位移的能力）成正比。

單層懸索結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力差，在風(fēng)吸力作用下懸索內(nèi)的拉力下降，穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

垂跨比的影響：垂跨比大，穩(wěn)定性和剛度大，索拉力小，但占用空間。通常取1/20～1/10

增加穩(wěn)定性的措施

? 單層懸索結(jié)構(gòu)宜采用重屋面，如裝配式鋼筋混凝土板；

? 采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸掛薄殼；

? 設(shè)置橫向加勁構(gòu)件。加勁梁或桁架分配局部荷載及將索連成整體。

2：雙層懸索體系

由一系列下凹的承重索和相反曲率的穩(wěn)定索組成。每對索之間通過受拉鋼索或受壓撐桿連系，構(gòu)成如桁架形式的平面體系，稱索桁架。

穩(wěn)定索可以抵抗風(fēng)吸力的作用，同時，相反曲率的穩(wěn)定索和相應(yīng)的索桿能對體系施加預(yù)應(yīng)力，使每對索均保持足夠大的張緊力，提高了整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與剛度。

承重索的垂跨比：1/20～1/15；穩(wěn)定索的矢跨比1/25～1/20。

3：鞍形索網(wǎng)體系

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是同一曲面上兩組曲率相反的單層懸索系統(tǒng)相交而成，下凹向為承重索，上凸向為穩(wěn)定索

4：混合懸掛體系

采用柔性的懸索體系與剛性的受彎構(gòu)件（梁、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架等）相結(jié)合，可組成共同抵抗外荷載的各種混合體系。

此類結(jié)構(gòu)或用鋼索懸掛其他構(gòu)件，或由鋼索對其他構(gòu)件提供附加支點，或用剛性的構(gòu)件來加強(qiáng)懸索的穩(wěn)定性，以減小不均勻荷載作用下的機(jī)構(gòu)性位移。橋梁中的斜拉橋和懸索橋也屬于這類混合體系。

懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)造

1：主要考慮作用力：恒荷載，屋面活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載以及溫度作用和地震作用等

2：變形驗算

據(jù)即將頒布的懸索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，承重索豎向位移限值如下：

單層懸索體系從初始態(tài)算起 l/200;

雙層懸索體系、索網(wǎng)及橫向加勁索從預(yù)應(yīng)力態(tài)算起l/250.

3：節(jié)點構(gòu)造

3.1索與索連接主要是U型連接和卡式

3.2索頭：

澆鑄頭

較粗的索（d≥38mm）采用，又稱巴氏合金端頭，索末端線材須松開足夠長度，采用除油液體清洗，干后成刷狀，然后插進(jìn)鋼鑄件插座楔形孔內(nèi)（長度為5.5～6索徑）澆鑄高等級鋅等熱金屬或聚脂材料形成索的端頭。

cnc端頭

對于的d<38mm的索頭，現(xiàn)在基本是CNC加工的

索與其他結(jié)構(gòu)部分的連接，連接方式多種多樣，應(yīng)該根據(jù)實際情況而定。

對與索膜結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)用最多的還是平行鋼絲束

平行鋼絲束

是由若干相互平行的鋼絲壓制集束或外包防腐護(hù)套制成，斷面呈圓形或正六角形; ?常用制索鋼絲直徑有5mm和7mm兩種，采用光面鋼絲或鍍鋅鋼絲；鋼絲呈蜂窩狀排列，根數(shù)有7根、19根、 37根、61根等。

平行鋼絲束的優(yōu)點

?鋼絲結(jié)構(gòu)緊湊

?受力均勻

?接觸應(yīng)力低

?能夠充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼絲材料的軸向抗拉強(qiáng)度

?彈性模量與單根鋼絲接近

索膜結(jié)構(gòu)之膜材：

采用純索結(jié)構(gòu)的索膜結(jié)構(gòu)一般使用的PTFE 膜材和ETFE 單層膜結(jié)構(gòu)。但是國外也用純索結(jié)構(gòu)的ETFE 氣枕結(jié)構(gòu)，但是很少見。

PTFE 膜材抗拉強(qiáng)度高，其基布為玻璃纖維組成，有一定的剛度，比較適合純索結(jié)構(gòu)。還有一點很重要的是PTFE力學(xué)穩(wěn)定性好，沒有力學(xué)松弛。而索結(jié)構(gòu)的ETFE單層比較時候立面，或者內(nèi)裝飾。否則容易積水。

膜與索的連接方式：

? 索套連接

? 束帶連接

? 扣帶連接

? 金屬配件連接

? 受壓彈簧連接

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